鐵路設(shè)計(jì)企業(yè)信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方案研究

張敏慧

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

建筑信息模型（BIM， Building Information Modeling）源自建筑行業(yè)，其信息技術(shù)的運(yùn)用將覆蓋從項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工，到建筑物后期使用和維護(hù)的全生命周期，實(shí)現(xiàn)了建筑物信息全過程的傳遞和共享，具有可視化、多專業(yè)協(xié)同、優(yōu)化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。目前，工程項(xiàng)目所說的BIM技術(shù)則指，采用數(shù)據(jù)加工工具，在工程決策、建設(shè)、實(shí)施及交付運(yùn)營(yíng)的全過程中，對(duì)工程涉及的各相關(guān)參建方、各相關(guān)專業(yè)的各類設(shè)施、設(shè)備、系統(tǒng)、器材信息，按統(tǒng)一的信息模型進(jìn)行整合集成。

國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域BIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)[1-3]，2013年12 月，中國(guó)鐵路BIM 聯(lián)盟成立，buildSMART組織與中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟合作，希望在下一版的工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）標(biāo)準(zhǔn)中納入鐵路領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化定義[4-5]。目前，鐵路信號(hào)領(lǐng)域尚未形成實(shí)用化、通用性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，已開展的BIM設(shè)計(jì)暫設(shè)定在三維翻模、臺(tái)賬管理[6]等方面。本文從工程全生命周期角度進(jìn)行鐵路信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，著眼于解決信號(hào)設(shè)計(jì)部門BIM系統(tǒng)總體規(guī)劃、底層數(shù)據(jù)協(xié)同、信息接口與共享、分布實(shí)施等技術(shù)問題，并考慮與既有標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程規(guī)范相適配，以期尋找并明確鐵路信號(hào)BIM建設(shè)的總體方向和思路。

1 設(shè)計(jì)企業(yè)信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置需求

1.1 企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和項(xiàng)目信息模型的關(guān)系

項(xiàng)目信息模型貫穿項(xiàng)目的形成、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)各階段，需考慮納入項(xiàng)目全過程、各相關(guān)方視角的項(xiàng)目資料，在各工作階段由項(xiàng)目各參與方，包括設(shè)計(jì)方，對(duì)信息模型進(jìn)行創(chuàng)建、使用和管理，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)，為項(xiàng)目決策者、管理者、設(shè)計(jì)方、施工方、項(xiàng)目驗(yàn)收和接管單位開展相關(guān)工作提供全面的基礎(chǔ)信息。

設(shè)計(jì)企業(yè)參與工程項(xiàng)目的決策、設(shè)計(jì)、施工，并與運(yùn)維部門保持良好的信息溝通渠道，是工程項(xiàng)目全過程的主要參與和見證者，也是項(xiàng)目承前啟后的主要的信息構(gòu)建方。設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和項(xiàng)目信息模型的關(guān)系示意如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和項(xiàng)目信息模型的關(guān)系示意圖

由于設(shè)計(jì)單位與工程的伴隨期長(zhǎng)、涉及的相關(guān)面廣，因此，設(shè)計(jì)企業(yè)的BIM數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)質(zhì)量可能對(duì)工程項(xiàng)目信息模型的可用性及效率有著一定的影響。

1.2 鐵路信號(hào)專業(yè)特點(diǎn)分析

鐵路信號(hào)工程具備工程項(xiàng)目的所有特性，還具有系統(tǒng)設(shè)備配置繁瑣、設(shè)備間邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜[7]、施工安裝項(xiàng)目眾多等特點(diǎn)。

（1）信號(hào)系統(tǒng)，是重系統(tǒng)設(shè)備配置、關(guān)注系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)性的設(shè)備關(guān)系型系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不在于信號(hào)設(shè)備器材的具體擺放位置，而是通過電氣連接關(guān)系或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特定的接口連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備間的邏輯關(guān)聯(lián)，并通過各子系統(tǒng)間的信息交互與計(jì)算，保證列車在鐵路線路上行駛安全。信號(hào)系統(tǒng)室內(nèi)外巨量的線纜及其連接關(guān)系是原建筑系統(tǒng)中未予以關(guān)注的部分，卻是目前信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)需要重點(diǎn)關(guān)注及分步加以解決的問題。

（2）信號(hào)系統(tǒng)外部接口眾多，分為物理接口和數(shù)據(jù)接口。物理接口包括溝槽管洞的預(yù)留預(yù)埋、信號(hào)機(jī)房空調(diào)燈具設(shè)置等，可利用上述專業(yè)間空間協(xié)同設(shè)計(jì)解決；數(shù)據(jù)接口包括列控系統(tǒng)對(duì)車站站臺(tái)設(shè)置要求、通信通道設(shè)置、用電負(fù)荷及容量，是一種邏輯約定關(guān)系，是設(shè)計(jì)內(nèi)部流程需要綜合管控的部分。

（3）信號(hào)系統(tǒng)作為鐵路工程的組成部分，有工程量統(tǒng)計(jì)與計(jì)算的要求，而信號(hào)系統(tǒng)概預(yù)算組成條目眾多，涉及的材料、器件、設(shè)備眾多，器材、產(chǎn)品、分項(xiàng)工程、分部工程、單位工程組合的線、面關(guān)系復(fù)雜。

（4）信號(hào)系統(tǒng)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝層出不窮，使得信號(hào)系統(tǒng)配置、設(shè)備間連接變化關(guān)系呈常態(tài)性存在，信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面對(duì)的設(shè)備關(guān)系不斷更新。

2 鐵路信號(hào)BIM設(shè)計(jì)的技術(shù)條件分析

2.1 信息交互與共享方式

實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息模型共享的最好方法是各專業(yè)、各參建方都使用同一平臺(tái)軟件，項(xiàng)目信息可以全面、不失真地在各使用者間展現(xiàn)。但由于不同軟件平臺(tái)的開發(fā)和使用歷史、針對(duì)面不同，不同企業(yè)、乃至同一企業(yè)內(nèi)不同專業(yè)都會(huì)選擇最利于自己專業(yè)特點(diǎn)的BIM軟件使用。

為了使不同階段，不同應(yīng)用軟件的使用者、項(xiàng)目不同參與方、各相關(guān)專業(yè)對(duì)項(xiàng)目信息中的某個(gè)概念有一致的理解，需要有概念和術(shù)語(yǔ)定義的國(guó)際字典框架（IFD）；為了讓參建各方都能獲取有相當(dāng)價(jià)值的項(xiàng)目信息，需要借助于一種公開的信息交換標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行項(xiàng)目信息交換， 一般多用IFC；為了讓參建各方提供相當(dāng)內(nèi)容信息量的信息模型，需對(duì)各方提交的信息內(nèi)容、深度等進(jìn)行定義，一般稱為信息交付手冊(cè)（IDM）[8]。

在建筑領(lǐng)域中，由于信息模型運(yùn)用起步較早，目前，較為通用的IFC中已對(duì)建筑物內(nèi)各種模塊的資源、元素進(jìn)行了充分的定義，有較為詳細(xì)的模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)已經(jīng)將IFC納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，也出臺(tái)了建筑模型信息分類與編碼等標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。目前，此類模塊、元素可廣泛應(yīng)用于建筑企業(yè)，但是對(duì)于鐵路相關(guān)企業(yè)，由于處理的對(duì)象、關(guān)系、甚至一些資源信息都與建筑行業(yè)不同，上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范在鐵路行業(yè)無法適用。

2.2 鐵路信號(hào)信息平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程及存在問題

中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟在推進(jìn)鐵路工程BIM技術(shù)中做了大量的工作[9-10]，取得了《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（V1.0版）（鐵路工程IFD）、《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》（V1.0版）、《鐵路四電工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（鐵路工程IFC）、《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》（四電部分）、《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》（四電部分）等豐富的技術(shù)成果。鐵路BIM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對(duì)鐵路信號(hào)專業(yè)進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理、歸類、研究，制定了綱要性的發(fā)展方向，但因信號(hào)專業(yè)自身繁、細(xì)的特點(diǎn)，目前，鐵路四電工程IFC中定義的系統(tǒng)邏輯關(guān)系（端口連接）、實(shí)體種類尚未能滿足信號(hào)全系統(tǒng)項(xiàng)目信息模型的實(shí)際需求；分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)以及交付標(biāo)準(zhǔn)也有待結(jié)合工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、工程概算管理的各項(xiàng)規(guī)定進(jìn)一步深化和修訂。

3 設(shè)計(jì)企業(yè)信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

3.1 鐵路信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)考慮要素

（1）協(xié)調(diào)好企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)信息分類、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等與相關(guān)企標(biāo)、行標(biāo)的關(guān)系，提高企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和使用效率；分階段規(guī)劃信號(hào)專業(yè)需要通過三維模型展示的內(nèi)容，同步規(guī)劃信號(hào)系統(tǒng)各設(shè)計(jì)階段配套的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）選擇合適的BIM軟件，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)邏輯關(guān)系的表述、三維模型的搭建、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、與其他軟件的集成等,同時(shí)，能方便實(shí)現(xiàn)模型分離，易于實(shí)現(xiàn)不同建設(shè)方、不同專業(yè)信息集成與分離[11]。

（3）信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)子項(xiàng)，以及各子項(xiàng)的屬性類信息需考慮充足的容量及便利的擴(kuò)展條件；盡量采用參數(shù)化屬性，便于后期計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的實(shí)現(xiàn)。

（4）信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)除需充分考慮信號(hào)自身設(shè)計(jì)要求外，如信號(hào)設(shè)備布置與配置、工程量統(tǒng)計(jì)等，還需要考慮與土建專業(yè)的接口要求。

（5）信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)盡量與參建方需求、后續(xù)施工運(yùn)維的信息需求統(tǒng)籌考慮。

3.2 與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)籌

為了能與鐵路BIM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相匹配、更好地滿足不同軟件平臺(tái)和不同企業(yè)間數(shù)據(jù)傳遞的要求，企業(yè)信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)盡量參照鐵路行業(yè)的BIM發(fā)展思路進(jìn)行建設(shè)；建設(shè)過程中，對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析、總結(jié)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的分類、定義提出合理化修改意見建議，為鐵路信號(hào)BIM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)修訂、標(biāo)準(zhǔn)的順利有效推進(jìn)做好鋪墊。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)基本元素分類及工程分類

設(shè)計(jì)企業(yè)信號(hào)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的基本元素分類建議參照IFD[12]附錄F表53中定義的基本工程構(gòu)件分類，但需對(duì)該表中“系統(tǒng)”的分類（例如，聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控系統(tǒng)）予以去除調(diào)整，補(bǔ)充機(jī)柜、機(jī)架類細(xì)目，以全面的基礎(chǔ)信號(hào)器材作為基礎(chǔ)單元，為后續(xù)的上層級(jí)聚合準(zhǔn)備好基礎(chǔ)條件。

以基本元素為基礎(chǔ)，參考IFD附錄F表54（工項(xiàng)）、表51和52（單項(xiàng)工程）的分類級(jí)別，向上層級(jí)可參照鐵路信號(hào)工程中對(duì)分部工程和單位工程的分類方法進(jìn)行線型、面型的分類和聚合方式。將基礎(chǔ)元素向上匯聚成分部工程，例如，光電纜線路、信號(hào)機(jī)及標(biāo)志牌、軌道電路、轉(zhuǎn)轍設(shè)備、應(yīng)答器、室內(nèi)設(shè)備等；對(duì)分部工程按需聚合，例如，聚合為車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞、列控系統(tǒng)、集中監(jiān)測(cè)等。信號(hào)基礎(chǔ)元素、分部工程和單位工程間的聚合關(guān)系如圖2所示,其中，單位工程可以根據(jù)不同的需求靈活定義，僅需對(duì)其包含的分部工程組成進(jìn)行重新定義。

圖2 信號(hào)基礎(chǔ)元素、分部工程和單位工程間的聚合關(guān)系

由于目前鐵路四電工程IFC[13]中對(duì)信號(hào)構(gòu)件屬性、系統(tǒng)間的關(guān)系定義暫限于概念定義階段，設(shè)計(jì)企業(yè)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中基礎(chǔ)元素的信息定義可以暫跳出IFC實(shí)體類的定義，從信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備配置、系統(tǒng)設(shè)備間關(guān)系、工程設(shè)計(jì)接口、投資控制角度出發(fā)，建立全面的信號(hào)構(gòu)件庫(kù)，分類規(guī)劃好各型構(gòu)件的屬性，包括構(gòu)件的工程歸屬關(guān)系、與信號(hào)系統(tǒng)的歸屬關(guān)系類、構(gòu)件與構(gòu)件間邏輯關(guān)聯(lián)類、構(gòu)件自身的幾何尺寸類、電氣特性類、構(gòu)件需要的外部接口條件（包括要求外部的、提供給外部的）、構(gòu)件費(fèi)用類屬性等。其中，對(duì)于線纜及其防護(hù)工程的幾何尺寸（包括空間部署的表達(dá)方式）、構(gòu)件與構(gòu)件間一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多的關(guān)系定義都在建筑行業(yè)內(nèi)沒有可借鑒的先例，需要研究并創(chuàng)立適宜的、通用的表達(dá)形式。

3.4 參數(shù)化設(shè)計(jì)

各類構(gòu)件、工程在屬性定義時(shí)，可充分借鑒IFC模型中上層向同層/下層引用的關(guān)系、借鑒參數(shù)化、層級(jí)化計(jì)算機(jī)開發(fā)思路；將用于構(gòu)件的類型定義盡量抽象化、減少類型種類，通過屬性參數(shù)的設(shè)定擴(kuò)展某種類型的運(yùn)用，便于信號(hào)BIM未來的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

3.5 分步實(shí)現(xiàn)策略

工程采用BIM設(shè)計(jì)已是大勢(shì)所趨，因此，應(yīng)該在目前的技術(shù)環(huán)境下，充分認(rèn)識(shí)和思考鐵路信號(hào)系統(tǒng)BIM設(shè)計(jì)需要完成和表述的工程內(nèi)容，并分階段最終完成全面的信號(hào)系統(tǒng)配置、設(shè)備器材間連接關(guān)系、全系統(tǒng)空間展示。

信號(hào)專業(yè)需要面對(duì)的兩大類處理對(duì)象是系統(tǒng)器材設(shè)備間關(guān)系和物理實(shí)體設(shè)置類。（1）信號(hào)系統(tǒng)器材設(shè)備間關(guān)系包括設(shè)備器材間的邏輯連接關(guān)系，以及電源、信息的連接關(guān)系（例如室外線纜箱盒間的連接關(guān)系、室內(nèi)組合間連接關(guān)系以及電源連接關(guān)系等）；（2）物理實(shí)體設(shè)置類又可細(xì)分為信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備和器材本體及后臺(tái)支撐器材的配置、設(shè)置位置、費(fèi)用等。其中，前者可以以信號(hào)構(gòu)件、工項(xiàng)和工程關(guān)系為基本處理對(duì)象，用以表達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備功能的主體；后者則可完成系統(tǒng)工程量確定、進(jìn)行全貌展示，實(shí)現(xiàn)專業(yè)間物理接口、進(jìn)行空間碰撞監(jiān)測(cè)。針對(duì)上述2種處理對(duì)象，考慮對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的BIM設(shè)計(jì)進(jìn)行二維/多維、專業(yè)內(nèi)/專業(yè)間協(xié)同、設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)/設(shè)計(jì)-運(yùn)維、人工/自動(dòng)化等分步規(guī)劃、分階段實(shí)施，分步示意如表1所示。

3.6 與信息模型的接口

（1）同一設(shè)計(jì)企業(yè)內(nèi)部，涉及專業(yè)間接口的數(shù)據(jù)庫(kù)格式公開共享，可進(jìn)行專業(yè)間信息傳遞；對(duì)于不同專業(yè)不同平臺(tái)上完成的三維信息模型，如果鐵路BIM字典、存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)通道已經(jīng)打通，則可優(yōu)先利用相關(guān)通用規(guī)范中定義的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體進(jìn)行信息資源轉(zhuǎn)換與協(xié)同，否則則需自行確定專業(yè)間流轉(zhuǎn)的實(shí)體格式，以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)不同平臺(tái)上信息的協(xié)同。

表1 鐵路信號(hào)BIM設(shè)計(jì)分步示意表

（2）同理，設(shè)計(jì)企業(yè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)與項(xiàng)目信息模型的接口，在未來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)格式定義完善的情況下，可以利用標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行錄入與轉(zhuǎn)出；在目前的情況下，設(shè)計(jì)企業(yè)需根據(jù)成果交付需求（包括軟件平臺(tái)需求、成果內(nèi)容及深度需求），將提交給項(xiàng)目信息模型的內(nèi)容、按指定平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式要求進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，滿足項(xiàng)目信息模型的需要。

3.7 發(fā)展與展望

鐵路信號(hào)技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，信號(hào)系統(tǒng)全電子化、設(shè)備精簡(jiǎn)集成化趨勢(shì)初現(xiàn)。新的信號(hào)技術(shù)會(huì)簡(jiǎn)化信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備器材間的連接關(guān)系，降低BIM中設(shè)備器材關(guān)系類的處理難度。同時(shí)，鐵路信號(hào)工程相關(guān)BIM的標(biāo)準(zhǔn)也將更快、更易建立和推廣，信號(hào)新技術(shù)與BIM設(shè)計(jì)會(huì)相輔相成不斷推進(jìn)。

目前，信號(hào)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件水平較高，信號(hào)BIM設(shè)計(jì)也可延續(xù)并延展原二維設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的相關(guān)設(shè)計(jì)思路，將原計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的思路運(yùn)用在信號(hào)工程信息模型的建設(shè)上，利用目前數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，陸續(xù)完成信號(hào)BIM的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從工程全生命周期的視角、結(jié)合信號(hào)專業(yè)特點(diǎn)，梳理設(shè)計(jì)企業(yè)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)與整體項(xiàng)目信息模型、相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)系，在專業(yè)整體規(guī)劃層面上提出信號(hào)專業(yè)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的基本原則、基礎(chǔ)元素分類、工程分類、參數(shù)化設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)和分步實(shí)施方案。受限于筆者BIM的視野，同時(shí)，由于信號(hào)技術(shù)不斷發(fā)展，文中相關(guān)觀點(diǎn)和意見有待進(jìn)一步商榷與實(shí)踐。